整車免提通話語音品質測試方法研究綜述

竇汝鵬， 田 喆， 趙 猛

（中汽研汽車檢驗中心（天津） 有限公司， 天津 300300）

隨著車載系統智能化和網聯化的發(fā)展進程，無線通信技術在汽車中的應用越來越多，免提通話系統逐漸成為汽車的基本配置。車輛緊急呼叫系統是駕駛員在發(fā)生交通事故時的安全保障［1］，為了保障車載端與公共安全應答點 （Public Safety Answering Point，PSAP） 可以良好地溝通，充分利用社會資源，減少公民的生命財產損失，需要對車載免提通話系統的語音品質提出一定的標準要求［2］。為保證車載免提通話系統的語音品質符合標準，需要對其進行嚴格的檢測。目前，國內對車載免提通話系統語音品質的檢測方法尚未完善，導致車載免提通話系統性能參差不齊。因此，對車載免提通話系統語音品質檢測方法的研究是十分必要的。

國際電信聯盟 （International Telecommunication Union，ITU） 建立了有關車輛中窄帶和寬帶免提通信的語音品質標準ITU-T P.1100（窄帶部分）［3］和ITU-T P.1110（寬帶部分）［4］。該標準由大量的測試項目組成，例如響度評定值、空閑信道噪聲、帶外信號處理等。該標準在安靜環(huán)境和現實背景噪聲情況下對車載免提系統進行測試，考慮不同車速、發(fā)動機、車身情況，針對目標車輛均衡模擬車內駕駛的真實聲學場景；該標準使用人工頭測試系統作為“用戶”來模擬使用車載免提終端。

本文基于ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準，對車載免提通話系統的測試系統搭建和主要測試項進行了探討。

1 測試系統搭建

系統通過模擬駕駛員在車輛真實行進過程中的通話場景測試語音通話品質。測試系統總體如圖1所示，主要分為3個部分：人工頭系統、背景噪聲錄制及回放系統、測試控制系統。測試時需要將測試車輛停放在符合一定聲學條件的場地中進行，在車內進行免提通話語音品質的測試。

1.1 人工頭系統

圖2所示的人工頭系統通過內置的高精度人工耳、人工嘴分別模擬系統使用者的“聽”、“說”功能，使用車載免提通話終端完成通話過程。圖3為人工頭系統在車內的放置示意圖。

人工嘴應符合ITU-T P.58［5］的規(guī)定，并且人工耳和人工嘴在進行測試前應依據ITU-T P.581［6］進行校準和均衡。

在測試車輛噪聲時，適當地增大仿真嘴的輸出電平以模擬“倫巴效應” （Lombard effect）。“倫巴效應”是指因噪聲引起的說話行為的變化。當噪聲A計權聲壓級長時間超過50dB時，聲壓每增加10dB，輸出電平增加3dB。用下式表示輸出電平和噪聲間的關系：

式中：I——因噪聲引起的仿真嘴輸出電平的增加；N——靠近駕駛員頭部位置的長時A計權聲壓級。

圖1 測試系統

圖2 人工頭系統

圖3 人工頭系統在車內的放置

在測試時，人工頭系統應放置在駕駛員的座位上，位置應與大多數人的駕駛習慣一致；放置時要使用適當的測量方法記錄人工頭系統位置 （如記錄人工頭系統與A柱的相對位置、與B柱的相對位置、與地板的相對高度等），確保測試場景能精確復現。人工頭系統放置位置的不同可能會對測試結果產生影響，建議檢查一下效果最差的位置，如發(fā)送方向上信噪比（SNR） 或語音品質可能比較差的位置。

1.2 背景噪聲錄制及回放系統

車輛行駛過程中往往伴隨著發(fā)動機噪聲、風噪、胎噪、空調風扇噪聲等穩(wěn)態(tài)噪聲，這些噪聲會對車載免提通話的語音品質產生干擾。因此，在評價車載免提通話性能時，應考慮車載免提通話系統對于噪聲的處理能力。不同車輛的機械結構和材料不同，車內噪聲也各不相同，在進行測試前應對不同車輛的車內噪聲進行單獨錄制，在測試中車輛處于靜止狀態(tài)，通過背景噪聲回放系統再現車輛實際運行狀態(tài)下的聲場環(huán)境。

背景噪聲的錄制工作應在無風無雨的天氣條件下，在光滑干燥的路面進行。錄制過程中關閉車窗和轉向燈，車內人員盡可能保持安靜，清空車廂內雜物，車門及座位上不要放置其他物品，以免在錄制過程中出現雜音。在靠近車載免提麥克風處放置測量傳聲器來錄制背景噪聲，也可以使用車載免提麥克風來直接錄制。

噪聲錄制后，還應該對錄制好的背景噪聲進行均衡，以保證準確重現噪聲文件原始的頻率特性以及聲壓大小。

為了模擬真實的行車環(huán)境，使用4個中音揚聲器和一個低音揚聲器組成的揚聲器組播放背景噪聲。應仔細選擇揚聲器的安裝位置以使揚聲器、車載免提麥克風和人工頭系統的聲傳遞路徑間的干擾最小。通常，低音揚聲器安裝在座位后面正中，后備廂上面；4個中音分兩組安裝在車廂前后，前面2個揚聲器分別放在儀表面板的上部兩邊或駕駛員腳部，后排2個揚聲器分別放置在后座靠枕與后窗玻璃之間靠近車殼的支架處。圖4為揚聲器的放置示意圖。

圖4 揚聲器的放置

為使車載免提麥克風位置處的聲功率譜密度和錄音信號一致，應對揚聲器組進行均衡和校準。比較錄音信號和模擬背景噪聲信號，兩者的最大A計權聲壓級偏差應不超過±1dB，在100Hz～10kHz頻率范圍內的1/3倍頻程功率譜密度偏差應不超過±3dB。

1.3 測試控制系統

測試控制系統負責控制整套測試系統，調用測試數據庫中的語料，并對測試采集到的實驗數據進行分析。

測試控制系統通過人工頭系統與車載免提通話終端的聲接口相連。通過藍牙、無線綜測儀和手機與車載免提通話終端的無線電接口相連，連接方式如圖5所示，有3種：①車載免提終端通過藍牙與測試系統相連；②車載免提終端通過藍牙與手機相連，手機通過無線信號與無線綜測儀相連，無線綜測儀通過同軸電纜與測試系統相連；③車載免提終端通過無線信號與無線綜測儀相連，無線綜測儀通過同軸電纜與測試系統相連。

圖5 測試系統連接方式

測試使用的系統模擬器的音頻接口應經過校準。要保證系統模擬器的設置不對傳輸的聲信號產生附加處理（如DTX斷續(xù)傳輸），并使免提麥克風的信號能準確傳輸。如無特殊說明，射頻電平調到最大。在GSM或者UMTS網絡制式下，AMR-NB編碼的傳輸比特率應為12.2kbit/s，AMR-WB編碼的傳輸比特率應為12.65kbit/s。

不同編解碼器、可變速率編解碼器傳輸比特率的變化都會影響語音傳輸品質。為了使測試結果更加符合實際，測試時應使用真實網絡信號傳輸的比特率。

另外，測試中會用到手機傳遞信號，因為一些手機不能完全關閉信號處理，所以只能選用那些不會引入額外非線性增益的手機來進行測試。

1.4 測試場地

測試應該在安靜的環(huán)境下開展，除非特殊說明，車內背景噪聲應符合ISO 3745標準［7］中的NC40，小于-54dBPa（A）。對于特定測試，符合NC20時，車內背景噪聲應小于-74dBPa（A），符合NC30標準時，車內背景噪聲應小于-64dBPa（A）。NC標準如圖6所示。

圖6 測試環(huán)境的NC準則

環(huán)境條件應設置如下。

1） 測試過程中不使用測試信號。

2） 在進行窄帶語音編碼測試時，測試自由聲場的麥克風安裝在車內的測試室；進行寬帶語音編碼測試時，測試自由聲場的麥克風安裝在車外的測試室。

3） 測試環(huán)境的噪音頻率應在20Hz～20kHz之間，測量時間為5s （空閑信道噪聲的平均時間）。

4） 使用A計權聲壓級檢查測試環(huán)境。

5） 將測試室的噪聲的倍頻程設為63Hz～10kHz來檢查是否符合NC標準。

2 測試項目

ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準的測試項目可以大致分為延時、單講語音品質、回聲和雙講特性、背景噪聲傳輸性能4類。

2.1 延時

延時測試用來確定信號從發(fā)送到接收經過系統所需要的時間。延時分為發(fā)送方向延時和接收方向延時，兩者相加稱為環(huán)回延時。ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準僅對環(huán)回延時進行要求，不對發(fā)送方向延時和接收方向延時做單獨要求：在不使用短距離無線傳輸技術時，人工頭系統和車載終端蜂窩天線之間的環(huán)回延時應不超過170ms；使用短距離無線傳輸技術時，人工頭系統和車載終端藍牙天線之間的環(huán)回延時，窄帶語音編碼下應不超過80ms，寬帶語音編碼下應不超過90ms。

延時測試是所有測試的基礎，其結果直接影響到其它測試。延時補償和信號對齊，對整個測試非常重要。同時，因延時測試持續(xù)時間短，也常用來檢測系統上下行信號通路是否正常。常見的延時測試結果如圖7所示。

圖7 延時測試結果

圖7 上方的時域圖顯示了源信號 （Source） 和接收信號（RCV（2））在時間軸上的相對位置。下方的分析圖顯示了兩個信號的互相關函數，即在不同時刻兩個信號的相似程度，延時的結果取值以相似程度最高的那個時刻為準。

若在時域圖中接收信號波形難以識別或者在分析圖中沒有明顯的波峰，則可能代表系統的信號通路存在問題。

在通話過程中，語音傳輸延時的少許變化可能并不影響我們的日常交流，對于測試系統，它計算語音品質時是根據已測得的延時對比測量信號和信號源，如果系統通信的延時不穩(wěn)定，那么很有可能得到較低的語音品質分數［8］。

2.2 單講語音品質

單講語音品質的主要測試項目如表1所示，每個測試項目又分發(fā)送方向和接收方向。

進行發(fā)送方向測試時，測試信號由測試控制系統發(fā)出，經過數模轉換后傳給人工頭系統上的人工嘴發(fā)聲；車載免提麥克風接收到聲信號后，對聲音進行編碼；編碼后的信號經過圖5所示無線傳輸方式，傳回測試控制系統；測試控制系統對接收到的信號進行分析得到測試結果。

進行接收方向測試時，測試信號由測試控制系統發(fā)出，由無線傳輸方式，將測試信號傳遞到車載終端；車載終端的揚聲器發(fā)聲；人工頭系統上的人工耳接收聲信號；聲信號經過模數轉換后，發(fā)送給測試控制系統；測試控制系統對接收到的信號進行分析得到測試結果。

下面對單講語音品質的主要測試項目進行解析。

1） 響度評定值

響度評定值并不表示實際感知的響度，而是衡量系統的傳輸損耗。標準系統定義了一個固定的衰減數值 （25dB），以最后接收到相同響度為基礎分別比較被測系統和中間參考系統所需插入衰減數值與標準系統的差異，兩者之差就是響度評定值。

表1 單講語音品質測試項目

響度評定值的測試結果為單個數值，其結果判定非常簡單。根據ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準，發(fā)送方向響度評定值應介于9～17dB，接收方向響度評定值應介于-2～6dB。若多個音量測試結果都處于接收方向響度評定值的合理區(qū)間，則選擇最接近標準規(guī)定范圍中值的音量作為標稱音量進行接收方向的其它測試。

2） 靈敏度頻率響應

頻率響應描述了系統對不同頻率的輸入信號的響應特性。頻率響應測量分為兩步，第1步是參考測量，即不考慮被測系統的影響，計算源信號的頻譜并保存；第2步加入被測系統，計算源信號經過系統后得到的信號頻譜，兩個頻譜之差即為被測系統的頻響曲線。

車載終端的頻響曲線需要處于ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準要求的容差框線內。容差框線規(guī)定了頻響曲線在各個頻率點所能達到的最高和最低限值。在判定時一般會先把頻響曲線與容差框線進行上邊界對齊或下邊界對齊，再去判別是否有超出下邊界或上邊界的情況：若有則結果不符合要求，測試結果顯示頻響曲線超出邊界最大的距離數值；若無則結果符合要求，測試結果顯示頻響曲線與邊界最小的距離數值余量。

3） 空閑信道噪聲

空閑信道噪聲測量被測設備在安靜環(huán)境下的本底噪聲電平或聲壓值，通常測量時會先施加一個激勵信號以防止設備處于靜默模式。

4） 失真

失真是指在原始的測試信號之外接收到了其它信號分量，通常是由設備的非線性元件對信號處理后產生。ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準采用正弦波作為原信號測量諧波失真，如發(fā)送一個1kHz的正弦波后看接收信號是否在其整數倍頻率上如2kHz、3kHz等出現明顯波峰。

5） 帶外信號處理

測試時用帶內信號能量減去帶外信號的能量，得到的相對能量值，即車載終端對帶外信號的抑制作用。

6） 單講語音品質評分

ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準采用中的單講語音品質，是一種客觀評價方法。通過測量語音信號的特征參數來評價語音的整體品質，對單講語音品質進行打分，使客觀評價結果能夠準確預測出語音品質的主觀評價結果，具有重復性和穩(wěn)定性好、不受人為的主觀影響等優(yōu)點。

2.3 回聲及雙講特性

遠端講話者的聲音被麥克風采集并傳入至通信設備，經過無線或有線傳輸之后達到近端的通信設備，并通過近端的揚聲器播放，這個聲音又會被近端的麥克風拾取至其通信設備形成聲學回聲，經傳輸又返回了遠端的通信設備，并通過遠端的揚聲器播放出來，導致遠端講話者聽到自己的回聲。這種回聲會使遠端講話者產生不適，因此要在通話過程中進行回聲消除處理。

雙講性能是指免提終端進行雙向通話的能力。雙講性能主要由兩個方面決定：雙講時回聲引起的損失，單、雙講時衰減范圍內的電平變化。

ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準在回聲特性方面對車載終端的耦合損耗、回聲衰減與時間的關系、各頻段的回聲衰減、初始收斂、回聲抑制性能進行了要求。在雙講特性方面ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準并無強制要求，而是依據衰減范圍、回聲分量等測試項目的測試結果對車載終端的雙講能力進行分類。但應注意，雙講能力分類等級高并不意味著該終端總體品質就更好。

回聲、雙講特性會相互影響。在通話中，為了消除回聲，在揚聲器輸出前與發(fā)送方向信號進行對比時，參考信號傳輸的延時減去發(fā)送方向的信號，可能會因此影響到原有的下行信號，導致雙講通話中信號衰減較大［8］。

2.4 背景噪聲傳遞性能

ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準規(guī)定，在背景噪聲傳遞性能測試前首先要進行背景噪聲采集，依據表2列出的噪聲場景進行背景噪聲錄制。

表2 噪聲場景

ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準中包含的測試項目有呼叫建立后的背景噪聲傳遞、有背景噪聲情況下的語音品質（即3-QUEST）、遠近端語言背景噪聲傳遞品質以及“舒適噪聲”的注入。每個測試項目都要依照表2列出的場景進行單獨測試，合格的車載終端應該在每個噪聲場景都滿足要求。

1） 呼叫建立后的背景噪聲傳遞

該項測試基于ITU-T P.1100附件B中的相對方法［B-sottek］［9］，分析結果的顯著特征不應超過6cp/cPa。

對于窄帶語音編碼，發(fā)送方向的第一個傳輸信號峰值在300Hz～3.4kHz之間的激勵不得高于15cp/cPa；對于寬帶語音編碼，發(fā)送方向的第一個傳輸信號峰值在200Hz～7kHz之間的激勵不得高于15cp/cPa。

2） 3-QUEST

3-QUEST包含以下3個測試分項：①語音品質，定義為S-MOS。②背景噪聲傳遞品質，定義為N-MOS。需要注意的是，若車載終端將噪聲消除過多，可能會導致通話過程中語音信號丟失，使N-MOS降低。③整體品質，定義為G-MOS。該項為S-MOS與N-MOS的結合。

ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準要求如表3所示。

表3 3-QUEST要求

3） 遠近端語音背景噪聲傳遞品質

遠端語音背景噪聲傳遞品質在接收端施加信號進行測試；近端語音背景噪聲傳遞品質在發(fā)送端施加信號進行測試。在語音信號持續(xù)時和結束后（代表遠端語音模擬結束），發(fā)送方向上的信號電平變化不得超過10dB。

建立語音呼叫后，首先播放噪聲信號，在發(fā)送端進行測試，得到參考曲線；再播放同樣的噪聲信號，同時在上行（下行） 方向插入多段語音信號，在發(fā)送端進行測試，得到測試曲線；將兩條曲線疊加，在無語音信號的區(qū)間量取曲線之間的電平差，最大值即為近端（遠端） 背景噪聲傳遞品質的結果［10］。

4） “舒適噪聲”的注入

ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準要求，對于可以插入舒適噪聲的免提終端，插入的舒適噪聲電平和本地（被傳輸的） 背景噪聲電平之差應在-5～2dB （A） 之間。插入的舒適噪聲和本地背景噪聲頻譜差異應在表4 （窄帶） 和表5 （寬帶） 的范圍之內。

表4 舒適噪聲的頻域范圍 （窄帶）

表5 舒適噪聲的頻域范圍 （寬帶）

3 結語

ITU-T P.1100和ITU-T P.1110標準囊括了延時、單講語音品質、回聲和雙講特性以及背景噪聲傳遞性能。各個測試項目之間相互關聯，參數的調整與分析不應局限于當前參數，而需全局考慮，為保證測試的準確性，在每次參數調整后需要對整個系統重新測量。